最基本的电机是“DC电机(有刷电机)”。将线圈置于磁场中，通过流动的电流，线圈会受到一边磁极的倾轧，同时受到另一边磁极的吸引，并在此作用下一直旋转。在旋转的历程中，流入线圈的电流反偏向流动，使其一直旋转。电机中有一个叫做“换向器”的部件，由“电刷”供电。“刷子”的位置在“转向器”的上方，它随着转动而一直移动。通过改变画笔的位置，可以改变目今的偏向。和换向器电刷是DC电机旋转不可缺氨赡结构(图1)。

图一：DC电机（有刷电机）的运转示意图。

切换换向器线圈中的电流偏向，反转磁极偏向，使其始终向右旋转。电刷向随轴旋转的换向器提供动力。

活跃于多个领域的电机

我们凭证电源类型和旋转原理对电机举行了分类(图2)。我们先简朴看一下种种电机的特点和用途。

图2：电机的主要类型

DC电机(有刷电机)结构简朴，操作利便，通常用于家用电器的“光盘托盘的开合”等用途
；蛴糜谄档摹暗缍笫泳悼铡⑵蚩刂啤钡扔猛。虽然它价钱自制，可用于许多领域，但它也有一些缺陷。由于换向器会与电刷接触，寿命很短，以是需要按期替换电刷或保修。

步进电机将凭证发送给它的电脉冲的数目旋转。它的运动量取决于发送给它的电脉冲的数目，因此它适合于位置调理。一样平常在家里用于“传真机、打印机的进纸”等等。由于传真机的送纸步数取决于规格(镌刻和细度)，以是随电脉冲数旋转的步进电机使用起来很是利便。一旦信号阻止，机械就会暂时阻止，这个问题很容易解决。

同步电念头的转数随电源频率而转变，用于“微波炉转台”和其他应用。电机组里有齿轮减速器，可以获得适合加热食物的转数。感应电机也受电源频率的影响，但频率与转数纷歧致。已往，这种交流电机用于电扇或洗衣机。

可见种种电机在许多领域都很活跃。其中，BLDC电机(无刷电机)有什么特点才华获得云云普遍的应用？

BLDC电机是怎样旋转的？

“BL”在BLDC电机里是“无刷”的意思，也就是DC电机(有刷电机)里的电刷没了。有刷DC电机(有刷电机)的作用是通过换向器给转子中的线圈通电。那么BLDC无刷电机是怎样给转子中的线圈通电的呢？原来，BLDC电机使用永磁体作为转子，转子中没有线圈。由于转子中没有线圈，以是不需要换向器和电刷来通电。相反，它是一个线圈作为定子(图3)。

DC中牢靠永磁体(有刷电机)爆发的磁场不会移动，但会被控制线圈(转子)爆发的磁场发动旋转。通过改变电压来改变转数。BLDC电机的转子是永世磁铁，通过改变周围线圈爆发的磁场偏向来旋转。通过控制流向线圈的电流的偏向和巨细来控制转子的旋转。

图3：BLDC电机的运转示意图。

BLDC电机使用永磁体作为转子。由于不需要给转子通电，以是不需要电刷和换向器。线圈的电力由外部控制。

BLDC电机的优点

BLDC电机的定子上有三个线圈，每个线圈有两根导线，电机中有六根导线。现实上，由于是内部接线，通常只需要三根线，但照旧比前面提到的DC电机(有刷电机)多了一根线。简朴接一下电池的正负极就不会动了。怎样运行BLDC汽车将在本系列的第二部分诠释。这一次，我们应该把重点放在BLDC汽车的优势上。

BLDC电机的第一个特点是“高效率”。它可以控制其回转力(扭矩)始终坚持最大值。关于DC电机(有刷电机)来说，最大转矩在旋转历程中只能坚持片晌，而不可一直坚持最大值。DC电机(有刷电机)要想获得和BLDC电机一样的扭矩，只能加大磁铁。这就是为什么小型BLDC汽车也能发出强盛的实力。

第二个特点是“好控制”，和第一个有关。BLDC电机可以获得你想要的扭矩，转数等等。BLDC电性能准确反响目的转数、扭矩等？梢酝ü既房刂评匆种频缁姆⑷群凸。若是使用电池驱动，通过小心控制可以延伸驱动时间。

别的，它还具有耐用和低电气噪音的特点。以上两点是无刷的优势。但DC电机(有刷电机)由于电刷与换向器接触，恒久使用后会磨损。接触部分也会爆发火花。特殊是换向器的误差遇到电刷时，会爆发重大的火花和噪音。若是你不想在使用历程中发出噪音，你会思量使用BLDC电机。

BLDC电机适用于这些方面

效率高、控制多样、寿命长的BLDC电机一样平常用在那里？常用于能充分验展其高效率、长寿命特点并能一连使用的产品中。好比：家电。人们使用洗衣机和空调已经有很长时间了。最近，BLDC电机已用于电电扇，耗电量已大大镌汰。正是由于效率高，功耗才降低。

BLDC电机也用于真空吸尘器。在某种情形下，通过改变控制系统，转数大大增添。这个例子显示了BLDC电机优异的可控性。

作为主要的存储介质，硬盘的旋转部分也接纳了BLDC电机。由于它是一台需要长时间运行的电机，以是它的耐用性很是主要。虽然也可以用来抑制功耗。这里的高效率也和低功耗有关。

BLDC电机的用途尚有许多

BLDC电机有望在更普遍的领域获得应用。BLDC电机将普遍应用于小型机械人，尤其是在制造业以外的领域提供效劳的“效劳机械人”。“定位对机械人来说很是主要。岂非不应该用以电脉冲数运行的步进电机吗？”也许有人会这么想。但在动力控制方面，BLDC电机更合适。别的，若是使用步进电机，机械人手腕等结构需要提供相当大的电流才华牢靠在某个位置。若是是BLDC电机，只能借助外力提供所需动力，从而抑制功耗。

也可以用于交通运输。恒久以来，简朴的DC电机大多用于电动汽车或晚年人的高尔夫球车，但最近，具有优异可控性的高效BLDC电机已被使用。通过玄妙的控制，可以延伸电池的一连时间。BLDC发念头也适用于无人机。特殊是关于多轴框架的无人机，由于它是通过改变螺旋桨的转数来控制航行姿态的，以是能够准确控制旋转的BLDC电机具有很大的优势。

最近怎么样？BLDC电机是一种高效率、可控性好、寿命长的优质电机。然而，若是我们想最大限度地施展BLDC发念头的功率，我们需要准确的控制。怎么操作呢？

仅靠毗连无法转动

转子BLDC电机是典范的BLDC电机之一，其外观和内部结构如下图所示(图1)。有刷DC电机(以下称为DC电机)在其转子上有一个线圈，在其外侧有一个永世磁铁。BLDC电机的转子上有永世磁铁，外部有线圈。BLCD电机的转子没有线圈，是永磁体，不需要给转子通电。实现了无电刷的“无刷型”。

另一方面，与DC电机相比，控制变得越发难题。不但仅需要将电机上的电缆毗连到电源。甚至电缆的数目也差别。与“将正极()和负极(-)接到电源上”差别。

图1：BLDC电机的外观及内部结构

转子是永世磁铁，以是不可通电。没有电刷和换向器，使用寿命可以延伸。

改变磁通量的偏向

为了旋转BLDC电机，必需控制线圈的电流偏向和正时。图2-A是对BLDC电机的定子(线圈)和转子(永磁体)建模的效果。用这张图，想想转子的转动Ｋ剂渴褂3个线圈。虽然保存现实使用六个或更多线圈的情形，可是凭证原理，每隔120度安排一个线圈，并且使用三个线圈。将电机的电能(电压、电流)转换成机械旋转。图2-A中的BLDC电机是怎样旋转的？我们先来看看电机里爆发了什么。

图2-A：BLDC电机转动原理

BLDC电机中每隔120度安排一个线圈，总共安排三个线圈来控制通电相或线圈的电流。

如图2-A所示，BLDC电机使用3个线圈。这三个线圈是用来通电后爆发磁通量的，划分命名为U、V、w，试着给线圈通电。线圈U(以下简称“线圈”)上的电流路径记为U相，V记为V相，W记为W相。接下来我们来看看U相。当U相通电时，将爆发图2-B所示箭头偏向的磁通量。

但现实上U、V、W的电缆都是相互毗连的，不可能只给U相通电。此处，当U相通电至W相时，将在U和W中爆发磁通量，如图2-C所示。U和W的两个磁通量合并成为更大的磁通量，如图2-D所示.永磁体将旋转，使得合成磁通量与中心永磁体(转子)的N极偏向相同。

图2-B：BLDC电机的转动原理

从U到w通电，首先只注重线圈的U部分，发明会爆发箭头一样的磁通量。

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图2-C：BLDC电机的转动原理

当U相通电到W相时，会爆发两个偏向差别的磁通量。

图2-D：BLDC电机的转动原理

当U相被激励到W相时，可以以为爆发了由两个磁通量组成的磁通量。

若是复合磁通量的偏向改变，永世磁铁也会改变。凭证永磁体的位置，切换U相、V相和W相的通电相位，以改变合成磁通量的偏向。若是一连举行这种操作，爆发的磁通量将旋转，从而爆发磁场，转子将旋转。

图3示出了通电相位和合成磁通量之间的关系。在这个例子中，若是激励模式从1到6依次改变，合成磁通量将顺时针旋转。通过改变复合磁通量的偏向和控制速率，可以控制转子的旋转速率。切换这六种上电模式来控制电机的控制方法称为“120度上电控制”。

图3：转子的永世磁石会像被合成磁通量牵引一样旋转，电机的轴也会因此旋转

使用正弦波控制，举行流通的转动

接下来，虽然合成磁通量的偏向会在120度通电的控制下旋转，可是只有六个偏向。例如，若是图3中的“通电模式1”改变为“通电模式2”，则合成磁通量的偏向将改变60度。然后转子会像被吸引一样旋转。接下来，通过从“激励模式2”改变到“激励模式3”，合成磁通量的偏向将再次改变60度。转子将再次被这种转变吸引。这种征象会一再爆发。这个行动会变得僵硬。有时间这个行动会发出噪音。

正是“正弦波控制”可以消除120度通电控制的弱点，实现平滑旋转。在120度通电控制中，合成磁通量在六个偏向上是牢靠的？刂，使其一直转变。在图2-C的例子中，U和W爆发的磁通量巨细相同。然而，若是可以很好地控制U相、V相和W相，则线圈可以爆发差别的磁通量，并且可以准确地控制合成磁通量的偏向。调理U相、V相和W相的电流，同时爆发复合磁通。通过控制这种磁通量的一连爆发，电念头可以平稳地旋转。

图4：正弦波控制

正弦波控制可以控制三相上的电流，爆发复合磁通，实现平滑旋转？梢栽120度通电控制不可爆发的偏向上爆发合成磁通量。

使用逆变器控制电机

U，V，W相的电流呢？为了便于明确，追念一下120度通电控制的情形。请看图3

接下来看开机模式4。在这种模式下，电流从W流向U，与上电模式1的偏向相反。在DC电机中，像这样的电流偏向转换是通过换向器和电刷的组合来实现的。然而，BLDC汽车公司不使用这种联系方法。使用逆变电路改变电流偏向？刂艬LDC电机时，一样平常接纳逆变电路。

别的，逆变电路可以改变每相施加的电压，调理电流值。在电压调理中，常用PWM(脉宽调制=脉宽调制)。PWM是一种通过调解脉冲开/关的一连时间来改变电压的要领，主要的是开时间和关时间的比率(占空比)爆发转变。若是ON的比率高，则可以获得与增添电压相同的效果。若是ON的比率降低，可以获得与电压降低相同的效果(图5)。

为了实现PWM，现在有配备特殊硬件的微型盘算机。正弦波控制需要控制三相的电压，以是软件比只有两相的120度通电控制稍微重大一些。逆变器是驱动BLDC电机的须要电路。逆变器也用于交流电机，但可以以为BLDC电机险些用于家用电器的“逆变器型”。

图5：PWM输出与输出电压的关系

在一准时间内改变导通时间来改变电压的有用值。

接通时间越长，有用值越靠近施加100%电压时的电压(接通时)。

使用位置传感器的BLDC电机

以上是BLDC电机控制的概述。BLDC电机改变线圈爆发的复合磁通量的偏向，使转子的永磁体随之改变。

着实在上面的形貌中，尚有一点没有提到。也就是BLDC汽车公司的传感器。BLDC电机凭证转子(永磁体)的位置(角度)举行控制。因此，获取转子位置的传感器是须要的。若是没有传感器知道永磁体的偏向，转子可能会朝意想不到的偏向转动。若是有传感器提供信息，这种情形就不会爆发。

表1显示了BLDC电机位置检测传感器的主要类型。凭证控制方法的差别，所需的传感器也差别。在120度通电控制中，为了确定给哪个相通电，配备了可以每隔60度输入信号的霍尔效应传感器。另一方面，关于准确控制复合磁通量的“矢量控制”(下一项诠释)，角传感器或光电编码器等高精度传感器更有用。

使用这些传感器可以检测位置，但也带来了一些弱点。传感器防尘能力弱，维护必不可少？捎玫奈露裙婺Ｒ步跣。为此使用传感器或增添布线会导致本钱增添，高精度传感器自己就很腾贵。于是，“无传感器”的要领泛起了。它不使用传感器举行位置检测，从而控制本钱，并且不需要与传感器相关的维护。可是这次，为相识释原理，假设已经从位置传感器获得了信息。

传感器种类主要用途特征霍尔效应传感器120度通电，控制每60度信号收罗一次。价钱更低。不耐热。光电正弦波控制和矢量控制有两种：增量式(可以知道离原位置的移动距离)和绝对式(可以知道目今位置的角度)。区分率高，但抗灰尘能力弱。该传感用具有正弦波控制和矢量控制的高区分率。纵然在结实和卑劣的情形中也能使用。

表1：位置检测专用传感器的种类及特征

通过矢量控制时刻坚持高效率

正弦波被控制为三相通电，平滑地改变合成磁通量的偏向，因此转子将平滑地旋转。20度通电控制切换U相、V相、W相两相使电机旋转，而正弦波控制需要准确控制三相电流。并且控制值是一直转变的交流电值，以是控制变得越发难题。

矢量控制来了。矢量可以通过坐标变换来控制，三相交流值可以盘算为两相DC值，因此可以简化控制。然而，矢量控制盘算需要高区分率的转子位置信息。位置检测有两种要领，纵然用光电编码器或角传感器等位置传感器的要领，以及基于各相电流值的无传感器要领。通过坐标变换，可以直接控制转矩(转动力)的相关电流值，实现无多余电流的高效控制。

然而，在矢量控制中，需要使用三角函数的坐标变换或重大的盘算处置惩罚。以是在大大都情形下，盘算能力强的微型盘算时机被用作控制微型盘算机，好比配备FPU(浮点运算器)的微型盘算机。